23.1D: Die Evolution der Mitochondrien - Biologie

Es wird angenommen, dass Mitochondrien von nahen Verwandten von Typhus-erzeugenden Bakterien abstammen.

Der genetische Beweis
In den 1970er Jahren entwickelten Wissenschaftler neue Werkzeuge und Methoden zum Vergleich von Genen verschiedener Arten. Zwei Teams von Mikrobiologen – eines unter der Leitung von Carl Woese und das andere unter der Leitung von W. Ford Doolittle von der Dalhousie University in Nova Scotia – untersuchten die Gene in Chloroplasten einiger Algenarten. Sie fanden heraus, dass die Chloroplasten-Gene wenig Ähnlichkeit mit den Genen in den Kernen der Algen aufwiesen. Es stellte sich heraus, dass es sich bei Chloroplasten-DNA um cyanobakterielle DNA handelte. Die DNA in Mitochondrien ähnelt derweil der einer Bakteriengruppe, zu der auch die Typhus-Erreger gehören (siehe Fotos rechts). Margulis hat behauptet, dass frühere Symbiosen dazu beigetragen haben, kernhaltige Zellen aufzubauen. Zum Beispiel wurden spiralförmige Bakterien, die Spirochäten genannt werden, in alle Organismen eingebaut, die sich durch Mitose teilen. Schließlich ergaben sich Schwänze auf Zellen wie Spermien. Die meisten Forscher stehen dieser Behauptung skeptisch gegenüber.

Herkunft von Mitochondrien und Chloroplasten

Diese Theorie basiert auf den Ähnlichkeiten von Chloroplasten und Mitochondrien mit prokaryotischen Zellen. Diese Organellen besitzen ihr eigenes genetisches Material (DNA) sowie die Maschinerie für die Proteinsynthese. Nach dieser Theorie entwickelten sich eukaryotische Zellen aus primitiven “proto-eukaryotische Zellen” die anaerob waren und den glykolytischen Weg zur Energiegewinnung nutzten.

Diese proto-eukaryotischen Zellen waren groß und konnten durch Phagozytose Nährstoffe aus der äußeren Umgebung in die Zelle aufnehmen.

Es wird vermutet, dass sich Mitochondrien aus primitiven Prokaryonten entwickelt haben, die nach ihrer Aufnahme in die protoeukaryotischen Zellen durch den Prozess der Phagozytose Sauerstoff zur Atmung (aerobe Prokaryonten) nutzen könnten (Abb. 20.8). Das Ö₂ unter Verwendung prokaryontischer Zellen wurden Symbionten der proto-eukaryontischen Zellen, die sie aufgenommen hatten.

Es wird erwartet, dass diese prokaryotischen Symbionten während der Evolution ihre unnötigen Funktionen verloren und sich zu den heutigen Mitochondrien entwickelt haben.

Heute werden einige der mitochondrialen Proteine ​​vom Zellkern kodiert und im Zytoplasma an zytoplasmatischen Ribosomen synthetisiert, während einige andere von der mtDNA kodiert und in den Mitochondrien selbst in Verbindung mit den mitochondrialen Ribosomen synthetisiert werden.

Die Migration von DNA aus Mitochondrien und Chloroplasten in die nukleäre DNA wurde dokumentiert, diese Art von DNA wird als promiskuitive DNA bezeichnet. Die Existenz promiskuitiver DNA erklärt, warum Kerngene für einige der mitochondrialen Proteine ​​kodieren und legt auch nahe, wie der Kern diese Fähigkeit erworben haben könnte.

Chloroplasten sollen sich aus den photosynthesefähigen Prokaryonten entwickelt haben (Abb. 20.8). Es wird angenommen, dass diese photosynthetischen Prokaryoten von den protoeukaryotischen Zellen aufgenommen wurden und zu gegebener Zeit eine symbiotische Beziehung zu ihnen aufgebaut haben.

Im Laufe der Evolution verloren sie ihre unnötigen Funktionen und entwickelten sich zu den heutigen Chloroplasten. Es wurde vermutet, dass sich die Chloroplasten verschiedener Pflanzenarten, die verschiedene Chlorophyllpigmente enthalten, aus verschiedenen symbiotischen Ereignissen entwickelt haben.

Es wird beispielsweise angenommen, dass Blaualgen, die Chlorophyll a und Phycobiline enthalten, Symbionten in den protoeukaryotischen Zellen geworden sind, die sich zu Rotalgen entwickelt haben.

In ähnlicher Weise wurden hypothetische photosynthetische Prokaryonten mit Chlorophyll a und c (gelbe Prokaryonten) zu Symbionten in den protoeukaryotischen Zellen, die sich schließlich zu Braunalgen, Diatomeen und Dinoflagellaten entwickelten.

Die gelben Prokaryoten sind inzwischen ausgestorben. Eine weitere Gruppe hypothetischer photosynthetischer Prokaryoten, die die Chlorophylle a und b (grüne Prokaryoten) enthielten, wurden von den protoeukaryotischen Zellen aufgenommen, die sich später zu Grünalgen und höheren Pflanzen entwickelten. Auch die grünen Prokaryoten sind ausgestorben.

Die Grundlagen der Endosymbiontentheorie liegen in den Ähnlichkeiten der Organellen (Chloroplasten und Mitochondrien) mit prokaryontischen Zellen und in ihren Unterschieden zu den eukaryontischen Zellen. Die wichtigsten Punkte dieser Ähnlichkeiten und Unähnlichkeiten sind in Tabelle 20.6 zusammengefasst.

2. Direkt Filiationstheorie:

Nach dieser Theorie entwickelten sich die Chloroplasten und Mitochondrien nicht aus von außen aufgenommenen prokaryontischen Zellen, sondern es wird angenommen, dass sie sich innerhalb der Primitiven entwickelt haben “proto-eukaryotische Zellen”. Es Es wird vermutet, dass zytoplasmatische Vesikel durch die Invagination der Plasmamembranen der protoeukaryotischen Zellen gebildet wurden.

Diese zytoplasmatischen Vesikel umschlossen auch genetisches Material (DNA) und entwickelten sich allmählich zu den heutigen Organellen. Für die Evolution von Mitochondrien und Chloroplasten wurden drei Modelle vorgeschlagen.

(1) Modell von Raff und Mahler:

In der protoeukaryotischen Zelle enthielt die Plasmamembran die Atmungsmechanismen des Elektronentransfers und der oxidativen Phosphorylierung. Die Plasmamembran wurde eingestülpt, um freie zytoplasmatische Vesikel zu produzieren, die die Atemwege umschlossen. Später erwarb es Plasmid- oder extrachromosomale DNA-Fragmente.

Diese DNA enthielt Gene für tRNA, rRNA und mRNA, die für die hydrophoben Proteine ​​der Atmungsmembran kodieren.

(2) Modell von Cavalier-Smith:

Dies ist ein allgemeines Modell, das den Ursprung von Mitochondrien, Chloroplasten, Nukleus, Golgi-Komplex und Lysosomen usw. nahelegt. Nach diesem Modell umschlossen die Ablösung und Fusion der Plasmamembran (ein Prozess der Endozytose) einige zusätzliche chromo-hysomale DNA-Segmente (oder Plasmide). .

Einige dieser Strukturen entwickelten sich zu Mitochondrien, während andere zu Chloroplasten wurden. Es wird angenommen, dass ein ähnlicher Prozess an der Bildung der Kernmembran beteiligt ist, die die Chromosomen umschloss, um den Zellkern zu produzieren.

(3) Modell von Reijnders:

Gemäß diesem Modell wurde die DNA der proto-eukaryotischen Zelle dupliziert und die beiden Kopien der DNA wurden von separaten Membranen eingeschlossen, um separate Kompartimente zu bilden. Ein Großteil der DNA eines Kompartiments wurde eliminiert, wobei nur der Teil übrig blieb, der für die mitochondriale Funktion notwendig war. Dieses Kompartiment entwickelte sich schließlich zu Mitochondrien.

Es gab keinen Verlust von DNA aus dem anderen Kompartiment und es entwickelte sich schließlich zum Zellkern. Es wird vermutet, dass die Entwicklung von Chloroplasten durch einen ähnlichen Prozess erfolgt ist.

Mitochondriale DNA in Evolution und Krankheit

Zellorganellen, die Mitochondrien genannt werden, enthalten ihre eigene DNA. Die Entdeckung, dass Variationen in der mitochondrialen DNA die Physiologie und die Lebensdauer von Mäusen verändern, hat Auswirkungen auf die Evolutionsbiologie und die Entstehung von Krankheiten. Siehe Brief S.561

Die mütterlicherseits vererbte DNA in zytoplasmatischen Organellen, den sogenannten Mitochondrien, kodiert die zentralen Proteine, die an der Energieproduktion beteiligt sind – der Hauptfunktion dieser Organelle. Es wurde jedoch angenommen, dass die außerordentlich hohe Sequenzvariabilität der mitochondrialen DNA von geringer Bedeutung ist. Auf Seite 561 Latorre-Pellicer et al. Ich zerstreue diese irrige Vorstellung.

Die Autoren übertrugen mitochondriale DNA (mtDNA) von einem Mausstamm namens NZB auf den Hintergrund der Kern-DNA (nDNA) eines anderen Stamms, C57BL/6, und verglichen dann C57BL/6-Mäuse, die NZB- oder C57BL/6-mtDNA enthielten. Die beiden mtDNA-Sequenzen unterscheiden sich in genetischen Varianten, die 12 Aminosäuresubstitutionen und 12 Veränderungen in RNA-Molekülen verleihen, die an der mitochondrialen Proteinsynthese beteiligt sind. Der Vergleich der Mäuse während ihres gesamten Lebens ergab große Unterschiede in der mitochondrialen Funktion, der Insulinsignalisierung, Fettleibigkeit und Langlebigkeit. Diese und verwandte Studien 2,3 zeigen deutlich, dass natürlich vorkommende mtDNA-Variationen nicht neutral sind und dass die Interaktion zwischen mtDNA-Sequenzvarianten und nDNA tiefgreifende Auswirkungen auf die Biologie von Säugetieren haben kann.

Warum sollte das von allgemeinem Interesse sein? Es stellt sich heraus, dass das Ausmaß der Variation zwischen NZB- und C57BL/6-mtDNAs ungefähr gleich ist wie zwischen zwei nicht verwandten menschlichen mtDNAs, so dass die mtDNA-Variation und ihre Wirkung auf die nDNA-Genexpression auch für Menschen relevant sind.

Maus- und menschliche mtDNA-Sequenzen können sich nur durch sequentielle Akkumulation von Mutationen entlang strahlender mütterlicher Abstammungslinien entwickeln. Beim Menschen entstanden funktionelle Mutationen, als Frauen aus Afrika auswanderten, um den Rest der Welt zu kolonisieren, ihren zellulären Energiestoffwechsel zu modifizieren und unseren Vorfahren die Anpassung an neue regionale Umweltherausforderungen zu ermöglichen. Die mtDNA-Typen (Haplotypen), die diese für die Umwelt vorteilhaften Mutationen erworben haben, verbreiteten sich in ihren jeweiligen Umgebungen und führten zu regionalen Gruppen verwandter Haplotypen, die als Haplogruppen bezeichnet werden. Diese regionale Auswahl erklärt, warum von allen mtDNA-Linien, die sich in den ersten 100.000 Jahren der Menschheitsgeschichte in Afrika entwickelten, vor 65.000 Jahren nur zwei mtDNAs (bezeichnet als M und N) Afrika erfolgreich verließen, um den Rest der Welt zu kolonisieren. Es erklärt auch, warum nur N mtDNAs Europa kolonisierten, während sowohl M als auch N Asien kolonisierten und warum nur fünf mtDNAs Amerika kolonisierten (überprüft in Lit. 4). Da sich die menschliche mtDNA-Diversität aus einer einzigen mtDNA entwickelt hat, kann auch eine funktionelle mtDNA-Variation, die eine regionale Populationsisolation ermöglicht, zur Artbildung beitragen 4 . Daher sind mtDNA-Haplogruppen von grundlegender Bedeutung für die Biologie von Mäusen und Menschen.

Da Mitochondrien eine bioenergetische Rolle spielen, ist es sinnvoll, dass die mtDNA-Variation unsere Physiologie und unsere Fähigkeit, sich an Umweltveränderungen anzupassen, beeinflusst. Variationen in mtDNA-Genen können die Anpassung an neue Diäten oder die Anpassung an thermischen Stress und Aktivitätsanforderungen ermöglichen und können sogar die Regulation des Zelltods verändern 4 . Die Korrelation zwischen der mtDNA-Variation von Mensch oder Maus und einem breiten Spektrum von Merkmalen, darunter Langlebigkeit, körperliche Leistungsfähigkeit und beim Menschen die Prädisposition für ein breites Spektrum metabolischer und degenerativer Erkrankungen und Krebsformen4,5, bestätigt die funktionelle Bedeutung der mtDNA-Variation .

Die nukleare Genexpression wird auch durch die mtDNA-Variation beeinflusst, was auf die Rolle des mitochondrialen Energieerzeugungssystems bei der Modulation der Spiegel hochenergetischer Moleküle zurückzuführen ist, die durch den mitochondrialen Stoffwechsel erzeugt werden. Hochenergetische mitochondriale Stoffwechselprodukte wie die Moleküle ATP, AcetylCoA und α-Ketoglutarat treiben die Modifikation von zytoplasmatischen Signalproteinen an und fügen auch molekulare Modifikationen an nukleäre Proteine ​​hinzu, die zusammen mit nDNA-Modifikationen das Epigenom bilden. Veränderungen der zellulären Signalübertragung und des Epigenoms regulieren die nDNA-Genexpression. Diese Kopplung zwischen Mitochondrium und Zellkern ist entscheidend, da ohne ausreichende Energie keine Zellfunktion ablaufen kann. Der Zellkern muss „wissen“, dass Mitochondrien die erforderliche Energie erzeugen können, bevor er beispielsweise mit der DNA-Replikation und -Transkription fortfahren kann.

Die Untersuchung von Zellen mit demselben Kern, aber unterschiedlichen Ausmaßen einer pathogenen mtDNA-Mutation – einer Veränderung in einem RNA-Molekül, bei der Nukleotid 3243 Guanin (3243G) anstelle des normalen Adenins ist – hat dazu beigetragen, die Natur der mtDNA-nDNA-Wechselwirkungen zu definieren. Jede Zelle enthält Hunderte von mtDNA-Kopien, sodass sowohl mutierte als auch normale mtDNAs in unterschiedlichen Anteilen in der Zelle vorhanden sein können, ein Zustand, der als Heteroplasmie bekannt ist. Wenn die 3243G-Mutation mit einer Häufigkeit von 10–30% vorhanden ist, können Patienten Diabetes oder in seltenen Fällen Autismus bei 50–90% manifestieren, die Mutation manifestiert sich in neurologischen, Herz- und Muskelproblemen und bei 100% kann es dazu kommen bei Kinderkrankheiten und Tod. Eine Studie 6 der nuklearen Genexpression in Zelllinien mit unterschiedlichen Prozentsätzen der 3243G-Mutation zeigte, dass jede dieser klinischen Klassen der Heteroplasmie mit einem unterschiedlichen nuklearen Genexpressionsprofil assoziiert ist. Beim Menschen können also, wie bei den Mäusen von Latorre-Pellicer und Kollegen, subtile Veränderungen der mitochondrialen Funktion aufgrund von mtDNA-Variationen tiefgreifende Auswirkungen auf die nukleäre Genexpression, die Zellphysiologie und die individuelle Gesundheit haben.

Die uniparentale Vererbung von mtDNA ist bei Tieren fast universell, und die mtDNA-Linien sind funktionell unterschiedlich, so dass vorhergesagt werden könnte, dass das künstliche Mischen zweier verschiedener mtDNA-Haplotypen in derselben Zelle schädlich sein könnte. In Übereinstimmung mit dieser Vorhersage führt das Mischen von NZB-mtDNAs mit mtDNAs eines Stamms namens 129 (dessen mtDNA der von C57BL/6 ähnlich ist) in C57BL/6-Mäusen zu Mäusen, die hypoaktiv, übererregbar sind und eine schwere Langzeiterkrankung haben -Speicherdefekte 7 . Daher kann die biparentale Vererbung verschiedener mtDNAs schädlich sein, und die NZB- und 129-C57BL/6-mtDNAs sind funktionell unterschiedlich.

Da die Variation der mtDNA-Haplogruppen durch die Umweltselektion geprägt wurde, folgt daraus, dass Mitochondrien Schlüsselsensoren für Umweltveränderungen sein könnten. Dank unseres wachsenden Verständnisses der vielen regulatorischen Funktionen der Mitochondrien hat sich ein ganzheitliches Bild der Zellbiologie herausgebildet (Abb. 1). In diesem Szenario würden Veränderungen in der Umwelt die mitochondriale Bioenergetik beeinflussen und die Produktion von hochenergetischen mitochondrialen Molekülen verändern. Veränderte Konzentrationen dieser mitochondrialen Moleküle treiben die chemische Modifikation von zytoplasmatisch-signalisierenden und epigenomischen Proteinen an und reprogrammieren die nDNA-Genexpression. Der veränderte nDNA-Genexpressionsstatus wird dann rückgekoppelt, um die mitochondriale Genexpression zu modifizieren und die energetische Homöostase und Gesundheit wiederherzustellen. Wenn die lokalen Umweltveränderungen jedoch zu schwerwiegend sind, um durch den durch die mtDNA-Haplogruppe definierten physiologischen Zustand eines Individuums zu bewältigen, oder wenn kürzliche schädliche mtDNA-Mutationen zu pathogen sind, kann dieses Feedback-Homöostase-System versagen, was zu einem fortschreitenden Energieverlust, Krankheit und letztendlich Tod.

Latorre-Pellicer et al. 1 berichten, dass der Transfer von mitochondrialer DNA (mtDNA) von einem Mausstamm auf einen anderen ausgeprägte Auswirkungen auf die Biologie hat, und zeigen, dass die mitochondriale genetische Variation nicht neutral ist und dass mitochondrial-nukleare Wechselwirkungen von zentraler Bedeutung für die Physiologie von Säugetieren sind. Die Mitochondrienfunktion wird direkt durch Umweltveränderungen beeinflusst, daher muss das Mitochondrium eine zentrale Rolle bei der Vermittlung zwischen Umweltstörungen und genomischen Reaktionen spielen. Hochenergetische Moleküle, die von Mitochondrien produziert werden, modifizieren die zytoplasmatischen Signalproteine ​​und „epigenomischen“ Proteine, die die Expression der nukleären DNA (nDNA) regulieren. Diese Veränderungen programmieren die Genexpression neu und verändern die Expression von nDNA- und mtDNA-abgeleiteten Proteinen, die in und auf die Mitochondrien wirken – diese Veränderungen wirken sich auf die mitochondriale Funktion aus. Wenn die energetische Homöostase wiederhergestellt werden kann, bleiben Gesundheit und Langlebigkeit erhalten. Wenn jedoch genetische oder umweltbedingte Veränderungen zu extrem sind, nimmt die Energieproduktion ab, was zu Krankheiten und sogar zum Tod führt.

Latorre-Pellicer and colleagues' study provides direct evidence that naturally occurring mtDNA variation is fundamental to an individual's characteristics and health. This information supports a model whereby mitochondrial physiological states determined by mtDNA variation sense environmental perturbations and send the appropriate signals to the nucleus to produce the optimal gene-expression response. Footnote 1

Acin-Perez, R., Fernandez-Silva, P., Peleato, M. L., Perez-Martos, A., and Enriquez, J. A. (2008). Respiratory active mitochondrial supercomplexes. Mol.-Nr. Zelle 32, 529�. doi: 10.1016/j.molcel.2008.10.021

Alirol, E., and Martinou, J. C. (2006). Mitochondria and cancer: is there a morphological connection? Oncogene 25, 4706�. doi: 10.1038/sj.onc.1209600

Bachmair, A., Finley, D., and Varshavsky, A. (1986). In vivo half-life of a protein is a function of its amino-terminal residue. Wissenschaft 234, 179�. doi: 10.1126/science.3018930

Balzi, E., Choder, M., Chen, W. N., Varshavsky, A., and Goffeau, A. (1990). Cloning and functional analysis of the arginyl-tRNA-protein transferase gene ATE1 of Saccharomyces cerevisiae. J. Biol. Chem. 265, 7464�.

Barrientos, A., Fontanesi, F., and Diaz, F. (2009). Evaluation of the mitochondrial respiratory chain and oxidative phosphorylation system using polarography and spectrophotometric enzyme assays. Curr. Protokoll Summen. Genet. 63, 19.3.1�.3.14. doi: 10.1002/0471142905.hg1903s63

Barrientos, A., Korr, D., and Tzagoloff, A. (2002). Shy1p is necessary for full expression of mitochondrial COX1 in the yeast model of Leigh's syndrome. EMBO J. 21, 43�. doi: 10.1093/emboj/21.1.43

Birnbaum, M. D., Zhao, N., Moorthy, B. T., Patel, D. M., Kryvenko, O. N., Heidman, L., et al. (2019). Reduced arginyltransferase 1 is a driver and a potential prognostic indicator of prostate cancer metastasis. Oncogene 38, 838�. doi: 10.1038/s41388-018-0462-2

Bock, R. (2017). Witnessing genome evolution: experimental reconstruction of endosymbiotic and horizontal gene transfer. Annu. Rev. Genet. 51, 1�. doi: 10.1146/annurev-genet-120215-035329

Bongiovanni, G., Fissolo, S., Barra, H. S., and Hallak, M. E. (1999). Posttranslational arginylation of soluble rat brain proteins after whole body hyperthermia. J. Neurosci. Auflösung. 56, 85�.

Brower, C. S., and Varshavsky, A. (2009). Ablation of arginylation in the mouse N-end rule pathway: loss of fat, higher metabolic rate, damaged spermatogenesis, neurological perturbations. Plus eins 4:e7757. doi: 10.1371/journal.pone.0007757

Buffet, A., Burnichon, N., Favier, J., and Gimenez-Roqueplo, A. (2020). An overview of 20 years of genetic studies in pheochromocytoma and paraganglioma. Beste Praxis. Res. Klin. Endocrinol. Metab. 34:101416. doi: 10.1016/j.beem.2020.101416

Carpio, M. A., Decca, M. B., Lopez Sambrooks, C., Durand, E. S., Montich, G. G., and Hallak, M. E. (2013). Calreticulin-dimerization induced by post-translational arginylation is critical for stress granules scaffolding. Int. J. Biochem. Cell Biol. 45, 1223�. doi: 10.1016/j.biocel.2013.03.017

Carpio, M. A., Lopez Sambrooks, C., Durand, E. S., and Hallak, M. E. (2010). The arginylation-dependent association of calreticulin with stress granules is regulated by calcium. Biochem. J. 429, 63�. doi: 10.1042/BJ20091953

Clemente, P., Peralta, S., Cruz-Bermudez, A., Echevarria, L., Fontanesi, F., Barrientos, A., et al. (2013). hCOA3 stabilizes cytochrome C oxidase 1 (COX1) and promotes cytochrome C oxidase assembly in human mitochondria. J. Biol. Chem. 288, 8321�. doi: 10.1074/jbc.M112.422220

Decca, M. B., Carpio, M. A., Bosc, C., Galiano, M. R., Job, D., Andrieux, A., et al. (2007). Post-translational arginylation of calreticulin: a new isospecies of calreticulin component of stress granules. J. Biol. Chem. 282, 8237�. doi: 10.1074/jbc.M608559200

Deka, K., Singh, A., Chakraborty, S., Mukhopadhyay, R., and Saha, S. (2016). Protein arginylation regulates cellular stress response by stabilizing HSP70 and HSP40 transcripts. Cell Death Discov. 2:16074. doi: 10.1038/cddiscovery.2016.74

Fernandez-Vizarra, E., Ferrin, G., Perez-Martos, A., Fernandez-Silva, Z. M., and Enriquez, J. A. (2010). Isolation of mitochondria for biogenetical studies: an update. Mitochondrion 10, 253�. doi: 10.1016/j.mito.2009.12.148

Gogvadze, V., Orrenius, S., and Zhivotovsky, B. (2008). Mitochondria in cancer cells: what is so special about them? Trends Cell Biol. 18, 165�. doi: 10.1016/j.tcb.2008.01.006

Graciet, E., Hu, R. G., Piatkov, K., Rhee, J. H., Schwarz, E. M., and Varshavsky, A. (2006). Aminoacyl-transferases and the N-end rule pathway of prokaryotic/eukaryotic specificity in a human pathogen. Proz. Natl. Akad. Wissenschaft VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA. 103, 3078�. doi: 10.1073/pnas.0511224103

Hu, R. G., Brower, C. S., Wang, H., Davydov, I. V., Sheng, J., Zhou, J., et al. (2006). Arginyltransferase, its specificity, putative substrates, bidirectional promoter, splicing-derived isoforms. J. Biol. Chem. 281, 32559�. doi: 10.1074/jbc.M604355200

Hu, R. G., Sheng, J., Qi, X., Xu, Z., Takahashi, T. T., and Varshavsky, A. (2005). The N-end rule pathway as a nitric oxide sensor controlling the levels of multiple regulators. Natur 437, 981�. doi: 10.1038/nature04027

Ingoglia, N. A., Ramanathan, M., Zhang, N., Tzeng, B., Mathur, G., Opuni, K., et al. (2000). What is the signal for the posttranslational arginylation of proteins? Neurochem. Auflösung. 25, 51�. doi: 10.1023/A:1007535331560

Jack, D. L., Chakraborty, G., and Ingoglia, N. A. (1992). Ubiquitin is associated with aggregates of arginine modified proteins in injured nerves. Neuroreport 3, 47�. doi: 10.1097/00001756-199201000-00012

Janeway, C. A. Jr., and Medzhitov, R. (2002). Innate immune recognition. Annu. Rev. Immunol. 20, 197�. doi: 10.1146/annurev.immunol.20.083001.084359

Kim, H. J., Kim, S. Y., Kim, D. H., Park, J. S., Jeong, S. H., Choi, Y. W., et al. (2020). Crosstalk between HSPA5 arginylation and sequential ubiquitination leads to AKT degradation through autophagy flux. Autophagy 2020, 1�. doi: 10.1080/15548627.2020.1740529

Kumar, A., Birnbaum, M. D., Patel, D. M., Morgan, W. M., Singh, J., Barrientos, A., et al. (2016). Posttranslational arginylation enzyme Ate1 affects DNA mutagenesis by regulating stress response. Cell Death Dis. 7:e2378. doi: 10.1038/cddis.2016.284

Kumar, A., Tikoo, S., Maity, S., Sengupta, S., Kaur, A., and Bachhawat, A. K. (2012). Mammalian proapoptotic factor ChaC1 and its homologues function as gamma-glutamyl cyclotransferases acting specifically on glutathione. EMBO Rep. 13, 1095�. doi: 10.1038/embor.2012.156

Kurosaka, S., Leu, N. A., Pavlov, I., Han, X., Ribeiro, P. A., Xu, T., et al. (2012). Arginylation regulates myofibrils to maintain heart function and prevent dilated cardiomyopathy. J.Mol. Zelle. Cardiol. 53, 333�. doi: 10.1016/j.yjmcc.2012.05.007

Kurosaka, S., Leu, N. A., Zhang, F., Bunte, R., Saha, S., Wang, J., et al. (2010). Arginylation-dependent neural crest cell migration is essential for mouse development. PLoS Genet. 6:e1000878. doi: 10.1371/journal.pgen.1000878

Kwon, Y. T., Kashina, A. S., Davydov, I. V., Hu, R. G., An, J. Y., Seo, J. W., et al. (2002). An essential role of N-terminal arginylation in cardiovascular development. Wissenschaft 297, 96�. doi: 10.1126/science.1069531

Leu, N. A., Kurosaka, S., and Kashina, A. (2009). Conditional Tek promoter-driven deletion of arginyltransferase in the germ line causes defects in gametogenesis and early embryonic lethality in mice. Plus eins 4:e7734. doi: 10.1371/journal.pone.0007734

Lopez Sambrooks, C., Carpio, M. A., and Hallak, M. E. (2012). Arginylated calreticulin at plasma membrane increases susceptibility of cells to apoptosis. J. Biol. Chem. 287, 22043�. doi: 10.1074/jbc.M111.338335

Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L., and Randall, R. J. (1951). Protein measurement with the Folin phenol reagent. J. Biol. Chem. 193, 265�.

Luo, D., Chakraborty, G., and Ingoglia, N. A. (1990). Post-translational modification of proteins by arginine and lysine following crush injury and during regeneration of rat sciatic nerves. Restor. Neurol. Neurosci. 2, 53�. doi: 10.3233/RNN-1990-2201

Majmundar, A. J., Wong, W. J., and Simon, M. C. (2010). Hypoxia-inducible factors and the response to hypoxic stress. Mol.-Nr. Zelle 40, 294�. doi: 10.1016/j.molcel.2010.09.022

Mills, E., and O'Neill, L. A. (2014). Succinate: a metabolic signal in inflammation. Trends Cell Biol. 24, 313�. doi: 10.1016/j.tcb.2013.11.008

Nicholls, D. G., and Ward, M. W. (2000). Mitochondrial membrane potential and neuronal glutamate excitotoxicity: mortality and millivolts. Trends Neurosci. 23, 166�. doi: 10.1016/S0166-2236(99)01534-9

Ocampo, A., Liu, J., Schroeder, E. A., Shadel, G. S., and Barrientos, A. (2012). Mitochondrial respiratory thresholds regulate yeast chronological life span and its extension by caloric restriction. Cell Metab. 16, 55�. doi: 10.1016/j.cmet.2012.05.013

Pearce, E. L., and Pearce, E. J. (2013). Metabolic pathways in immune cell activation and quiescence. Immunität 38, 633�. doi: 10.1016/j.immuni.2013.04.005

Rai, R., Colavita, K., Leu, N. A., Kurosaka, S., Kumar, A., Birnbaum, M. D., et al. (2015). Arginyltransferase suppresses cell tumorigenic potential and inversely correlates with metastases in human cancers. Oncogene 35, 4058�. doi: 10.1038/onc.2015.473

Rai, R., and Kashina, A. (2005). Identification of mammalian arginyltransferases that modify a specific subset of protein substrates. Proz. Natl. Akad. Wissenschaft VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA. 102, 10123�. doi: 10.1073/pnas.0504500102

Rai, R., Mushegian, A., Makarova, K., and Kashina, A. (2006). Molecular dissection of arginyltransferases guided by similarity to bacterial peptidoglycan synthases. EMBO Rep. 7, 800�. doi: 10.1038/sj.embor.7400747

Saha, S., and Kashina, A. (2011). Posttranslational arginylation as a global biological regulator. Abw. Biol. 58, 1𠄸. doi: 10.1016/j.ydbio.2011.06.043

Shyne-Athwal, S., Chakraborty, G., Gage, E., and Ingoglia, N. A. (1988). Comparison of posttranslational protein modification by amino acid addition after crush injury to sciatic and optic nerves of rats. Erw. Neurol. 99, 281�. doi: 10.1016/0014-4886(88)90148-3

Tannahill, G. M., Curtis, A. M., Adamik, J., Palsson-McDermott, E. M., McGettrick, A. F., Goel, G., et al. (2013). Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1 beta through HIF-1 alpha. Natur 496, 238�. doi: 10.1038/nature11986

Tasaki, T., Sriram, S. M., Park, K. S., and Kwon, Y. T. (2012). The N-end rule pathway. Annu. Rev. Biochem. 81, 261�. doi: 10.1146/annurev-biochem-051710-093308

Tran, Q., Lee, H., Park, J., Kim, S. H., and Park, J. (2016). Targeting cancer metabolism - revisiting the warburg effects. Toxicol Res. 32, 177�. doi: 10.5487/TR.2016.32.3.177

Van Vranken, J. G., Na, U., Winge, D. R., and Rutter, J. (2015). Protein-mediated assembly of succinate dehydrogenase and its cofactors. Krit. Rev. Biochem. Mol.-Nr. Biol. 50, 168�. doi: 10.3109/10409238.2014.990556

Varshavsky, A. (2011). The N-end rule pathway and regulation by proteolysis. Protein Sci. 20, 1298�. doi: 10.1002/pro.666

Viale, A., Corti, D., and Draetta, G. F. (2015). Tumors and mitochondrial respiration: a neglected connection. Cancer Res. 75, 3685�. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-15-0491

Wang, J., Han, X., Saha, S., Xu, T., Rai, R., Zhang, F., et al. (2011). Arginyltransferase is an ATP-independent self-regulating enzyme that forms distinct functional complexes in vivo. Chem.-Nr. Biol. 18, 121�. doi: 10.1016/j.chembiol.2010.10.016

Wang, J., Pavlyk, I., Vedula, S. S., Leu, N. A., Dong, D. W., and Kashina, A. (2017). Arginyltransferase ATE1 is targeted to the neuronal growth cones and regulates neurite outgrowth during brain development. Abw. Biol. 430, 41�. doi: 10.1016/j.ydbio.2017.08.027

Wang, Y. M., and Ingoglia, N. A. (1997). N-terminal arginylation of sciatic nerve and brain proteins following injury. Neurochem. Auflösung. 22, 1453�. doi: 10.1023/A:1021998227237

Wiley, D. J., D'Urso, G., and Zhang, F. L. (2020). Posttranslational arginylation enzyme arginyltransferase1 shows genetic interactions with specific cellular pathways in vivo. Vorderseite. Physiol. 11:427. doi: 10.3389/fphys.2020.00427

Williams, T. A., Foster, P. G., Cox, C. J., and Embley, T. M. (2013). An archaeal origin of eukaryotes supports only two primary domains of life. Natur 504, 231�. doi: 10.1038/nature12779

Xu, N. S., Chakraborty, G., Hassankhani, A., and Ingoglia, N. A. (1993). N-terminal arginylation of proteins in explants of injured sciatic nerves and embryonic brains of rats. Neurochem. Auflösung. 18, 1117�. doi: 10.1007/BF00978361

Zhang, F., Patel, D. M., Colavita, K., Rodionova, I., Buckley, B., Scott, D. A., et al. (2015). Arginylation regulates purine nucleotide biosynthesis by enhancing the activity of phosphoribosyl pyrophosphate synthase. Nat. Gemeinschaft. 6:7517. doi: 10.1038/ncomms8517

Zhang, F., Saha, S., and Kashina, A. (2012). Arginylation-dependent regulation of a proteolytic product of talin is essential for cell-cell adhesion. J. Cell Biol. 197, 819�. doi: 10.1083/jcb.201112129

Zhong, Q., Gao, W. H., Du, F. H., and Wang, X. D. (2005). Mule/ARF-BP1, a BH3-only E3 ubiquitin ligase, catalyzes the polyubiquitination of Mcl-1 and regulates apoptosis. Zelle 121, 1085�. doi: 10.1016/j.cell.2005.06.009

Keywords: arginylation, arginyltransferase, mitochondria, biogenesis, respiration, respiratory chain complexes

Citation: Jiang C, Moorthy BT, Patel DM, Kumar A, Morgan WM, Alfonso B, Huang J, Lampidis TJ, Isom DG, Barrientos A, Fontanesi F and Zhang F (2020) Regulation of Mitochondrial Respiratory Chain Complex Levels, Organization, and Function by Arginyltransferase 1. Vorderseite. Zell-Entw. Biol. 8:603688. doi: 10.3389/fcell.2020.603688

Received: 07 September 2020 Accepted: 23 November 2020
Published: 21 December 2020.

Cesare Indiveri, University of Calabria, Italy

Brijesh Kumar Singh, Duke-NUS Medical School, Singapore
Steven Michael Claypool, Johns Hopkins University, United States

Copyright © 2020 Jiang, Moorthy, Patel, Kumar, Morgan, Alfonso, Huang, Lampidis, Isom, Barrientos, Fontanesi and Zhang. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution License (CC BY) verbreitet wird. The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. Es ist keine Verwendung, Verbreitung oder Vervielfältigung gestattet, die nicht diesen Bedingungen entspricht.

† Present address: Chunhua Jiang, Pharmacology Center, Zhongqi Pharmaceutical Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd., China Shijiazhuang Pharmaceutical Company, Shijiazhuang, China
Devang M. Patel, Department of Diabetes, Monash University, Melbourne, VIC, Australia
Akhilesh Kumar, Department of Botany, Banaras Hindu University, Varanasi, India

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